Родился в 1810 году в Москве, в семье военного казначея, майора Ивана Ивановича Пирогова. Был тринадцатым ребёнком в семье. Мать — Елизавета Ивановна Новикова, принадлежала к старой московской купеческой семье.Рос мальчик в благополучной семье и дом был полной чашей. Образованием детей занимались основательно: у них были лучшие домашние педагоги и возможность учиться в самых передовых пансионах. Все закончилось в тот момент, когда сослуживец отца сбежал, украв крупную сумму.
Иван Пирогов как казначей был обязан возместить недостачу. Пришлось продать большую часть имущества, переехать из большого дома в маленькую квартирку, ограничивать себя во всем. Не выдержав испытаний, отец скончался.

Мать поставила себе цель: во что бы то ни стало дать младшему сыну - Николаю хорошее образование. Семья жила впроголодь, все деньги уходили на учебу Коли. И он изо всех сил старался оправдать их ожидания. К моменту окончания университета будущий врач Николай Пирогов был полностью разочарован положением, царившим в тогдашней медицине. 
Его, юношу без средств и связей, ждала работа заштатным лекарем где-нибудь в провинции. А он страстно мечтал заниматься наукой, изучать хирургию и искать способы избавления от болезней. Вмешался случай. Правительство решило отправить лучших выпускников в Германию, и отличник Николай Пирогов оказался в их числе.

Николай целыми днями пропадал в лаборатории, где ставил опыты на животных. Он забывал есть, спал не больше шести часов в сутки и все пять лет проходил в одном сюртуке. Его не интересовала веселая студенческая жизнь: он искал новые способы проведения операций.

«Вивисекция - опыты над животными - вот единственный путь!» - считал Пирогов. В результате - золотая медаль за первый научный труд и защита диссертации в 22 года. Но одновременно поползли слухи о хирурге-живодере. Сам Пирогов не опровергал их: «Я был тогда безжалостен к страданиям».

Вернувшись на родину, мужчина рассчитывал получить кафедру в Московском университете, но ее занял другой человек, имевший нужные связи. Поэтому Пирогов остался в Дерпте и тут же прославился на всю округу фантастическим мастерством. Николай Иванович с легкостью брался за самые сложные операции, которые до него никто еще не делал, описывая детали в картинках. Вскоре Пирогов становится профессором хирургии и уезжает во Францию, чтобы осмотреть местные клиники.По возвращении в Россию ему предложили возглавить кафедру хирургии в Медико-хирургической академии Петербурга, а вскоре Пирогов открыл первый хирургический госпиталь на тысячу коек.

Была проведена первая успешная операция с использованием эфирного наркоза, которая стала прорывом в мировой врачебной науке, а сконструированная Пироговым маска для наркоза до сих пор применяется в медицине.

В 1847 году Николай Иванович уезжает на Кавказскую войну, чтобы испытать научные разработки в полевых условиях. Там он провел десять тысяч операций с использованием наркоза, применил на практике придуманные им бинты, пропитанные крахмалом, которые стали прообразом современной гипсовой повязки.

Осенью 1854 года Пирогов с группой врачей и медсестер отправился на Крымскую войну, где стал главным хирургом в окруженном врагом Севастополе. Благодаря усилиям созданной им службы сестер милосердия было спасено огромное количество русских солдат и офицеров. 

Он разработал совершенно новую по тем временам систему эвакуации, транспортировки и сортировки раненных в боевых условиях, таким образом заложив основы современной военно-полевой медицины.

В 1866 году Николай Иванович переехал с семьей в свое имение Вишня в Винницкой губернии, где открыл бесплатную клинику и продолжил врачебную практику. Больные и страждущие съезжались к «чудесному доктору» со всех уголков России.

Не оставлял он и научную деятельность, написав в Вишне работы по военно-полевой хирургии, прославивших его имя.

Пирогов выезжал за границу, где принимал участие в научных конференциях и семинарах, а во время одной из поездок его попросили оказать врачебную помощь самому Гарибальди.

Первый раз Пирогов женился в 1841 году на внучке генерала Татищева Екатерине Березиной. Их брак продлился всего четыре года, супруга умерла от осложнений тяжелых родов, оставив после себя двух сыновей.

Через восемь лет Николай Иванович вступил в брак с баронессой Александрой фон Бистром, родственницей прославленного мореплавателя Крузенштерна. Она стала верной помощницей и соратницей, ее стараниями была открыта хирургическая клиника в Киеве.

Причиной смерти Пирогова послужила злокачественная опухоль, появившаяся на слизистой ротовой полости.  Великий хирург скончался зимой 1881 года в Вишне. Родственники рассказывали, что в момент агонии умирающего случилось лунное затмение.Супруга покойного решила забальзамировать его тело.  Тело было помещено в специальный склеп с окошком, над которым впоследствии была возведена церковь. После революции было решено сохранить тело великого ученого и провести работы по его восстановлению. Этим планам помешала война, и первая ребальзамация была осуществлена лишь в 1945 году специалистами Москвы, Ленинграда и Харькова

Усадьба Пирогова сохранилась до наших дней, там сейчас организован музей великого ученого. В ней ежегодно проводятся пироговские чтения, посвященные вкладу хирурга в мировую медицину, собираются международные врачебные конференции.